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基于FPGA的功率譜分析系統(tǒng)

2020年信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全第9期

付恩琪1，2，孫秀男1，2，梁昊1，2

1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230026； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽合肥230026

摘要： 針對(duì)激光雷達(dá)的微弱信號(hào)探測(cè)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)功率譜分析系統(tǒng)。系統(tǒng)使用12位1 GS/s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)進(jìn)行采樣，采用FPGA作為數(shù)據(jù)采集處理的控制核心，并通過DDR3及千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)上傳。在上位機(jī)軟件控制下，結(jié)合各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可配置的兩種功率譜估計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)有效提升了數(shù)據(jù)處理速度，并通過分段累加改善了功率譜估計(jì)的性能。

關(guān)鍵詞： FPGA 功率譜估計(jì) 快速傅里葉變換窗函數(shù)

中圖分類號(hào)： TN911
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.013
引用格式：付恩琪，孫秀男，梁昊. 基于FPGA的功率譜分析系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2020，39(9)：68-73.

Power spectrum analysis system based on FPGA

Fu Enqi1，2，Sun Xiunan1，2，Liang Hao1，2

1.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，University of Science and Technology of China， Hefei 230026，China； 2.Department of Modern Physics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Abstract： Aiming at the weak signal detection of lidar, a real-time power spectrum analysis system is designed. The system uses 12 bit 1 GS/s Analog to Digital Converter(ADC) for sampling, uses Field Programmable Gate Array(FPGA) as the control core of data acquisition and processing, and realizes data storage and upload through DDR3 and Gigabit Ethernet. Under the control of the host computer software, combined with various functional modules, two power spectrum estimation schemes with configurable parameters are implemented. The test results show that the system effectively improves the speed of data processing and improves the performance of power spectrum estimation by piecewise accumulation.

Key words : FPGA；power spectrum estimation；Fast Fourier Transform(FFT)；window function

0 引言

功率譜估計(jì)是信號(hào)分析的重要方法，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)處理、語(yǔ)音識(shí)別、無線通信等領(lǐng)域^[1-3]。針對(duì)激光雷達(dá)的微弱信號(hào)探測(cè)，由于單個(gè)脈沖功率譜強(qiáng)度較低，通常需要將多個(gè)脈沖功率譜進(jìn)行分段累加以提高探測(cè)性能^[4]。經(jīng)典譜估計(jì)建立在快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)基礎(chǔ)之上，目前常用的基于MATLAB的功率譜估計(jì)運(yùn)算耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，無法滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的需求。隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)集成度進(jìn)一步提高，其內(nèi)部資源豐富，性能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)更加靈活，并具有很好的兼容性和可移植性，成為理想的解決方案。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的功率譜分析系統(tǒng)，在上位機(jī)軟件控制下對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、硬件觸發(fā)、DDR3存取、功率譜估計(jì)、結(jié)果上傳等系列功能。重點(diǎn)研究了兩種功率譜估計(jì)方案：方案一不加窗，由單精度浮點(diǎn)的并行FFT模塊實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果精度高；方案二增加了實(shí)時(shí)加窗處理，由24 bit定點(diǎn)的流水線FFT模塊實(shí)現(xiàn)，在降低頻譜泄露的同時(shí)進(jìn)一步提升處理速度。系統(tǒng)通過分段累加處理提高了對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)性能。

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作者信息:

付恩琪1，2，孫秀男1，2，梁昊1，2

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230026；

2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽合肥230026)

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